(57)【要約】 【課題】  量産性に優れる簡便な製造工程により、圧力センサの高感度化を達成するための、表面弾性波を利用した圧力センサの構造を提供すること。【解決手段】  圧電体５上に設けられた表面弾性波を励起するための櫛歯電極６と、被膜上に形成されたシリコン膜から成る凸部２の上面に圧電膜３が形成された膜状構造体と、が気密空間１を介して櫛歯電極６と圧電膜３とが対向するように近接する構造を有し、膜状構造体に加わる外部からの圧力によって圧電膜３が櫛歯電極６に接することで、表面弾性波の共振周波数が変化し、圧力に対する共振周波数の変化量を検知する機能を具備した圧力センサとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体上に設けられた表面弾性波を励起するための櫛歯電極と、被膜上に形成されたシリコン膜から成る凸部に圧電膜が形成された膜状構造体と、が気密空間を介して前記櫛歯電極と前記圧電膜とが対向するように近接する構造を有し、前記膜状構造体に加わる外部からの圧力によって前記圧電膜が前記櫛歯電極に接することにより前記表面弾性波の共振周波数が変化し、前記圧力に対する前記共振周波数の変化量を検知することを特徴とする圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面弾性波を利用した圧力センサに関し、特に高感度化を図るための構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術による表面弾性波（ＳＡＷ）を利用する圧力センサが、特許文献１に開示されている。
【０００３】
特許文献１に開示される圧力センサは、圧力検出素子としてＳＡＷチップを利用すると共に、ＳＡＷチップと気密空間を介して接合一体化される基台を備えた圧力センサにおいて、別部材であるスペーサを用いずにＳＡＷチップと基台との間に気密空間を形成しつつ両者を接合一体化した圧力センサを提供するための解決手段として、圧電基板、該圧電基板の下面に形成したＩＤＴ電極（櫛歯電極）を備えたＳＡＷチップと、該ＳＡＷチップ下面のＩＤＴ電極との間に気密空間Ｓを介在させた状態で該ＳＡＷチップと接合一体化された絶縁材料から成る基台と、該ＳＡＷチップのＩＤＴ電極と外部とを導通させる引出し電極と、を備えた周波数変化型の圧力センサにおいて、基台は、ＩＤＴ電極と対向する上面に凹陥部を備えたダイヤフラム構造を有しているというものである。
【０００４】
特許文献１の圧力センサは、表面弾性波を励起するためのＩＤＴ電極を配した圧電基板から成る圧力検出素子と凹部を有する基台とが気密空間を介して気密一体化されたものであり、圧力検出素子の圧電基板に圧力が加わる際に生じる表面弾性波の音速変化と櫛歯電極間隔の変化によって、表面弾性波の共振周波数が変わることを利用している。
【０００５】
また、特許文献１に開示されている他例の圧力センサによれば、圧力センサの高感度化を図るために、圧力検知部の櫛歯電極が配せられた圧電基板自体を薄帯化している。ここで、圧電基板として水晶板を用いる場合には、異方性エッチング技術によって薄帯化が可能であり、例えば、水晶の薄帯化技術の詳細については、特許文献２に開示されている。
【０００６】
特許文献２には、より大きな面積の水晶板を、水晶振動子の高周波化及び／又は高安定性に適した薄い板厚、十分な表面粗さに加工するための解決手段として、第１エッチング工程において、バッファード弗酸を主成分として含有する第１エッチング組成物を用いて水晶材料の表面をウエットエッチングし、広い範囲で必要なエッチング量だけエッチング加工し、次にこの水晶材料の表面を、第２エッチング工程において、弗化水素酸を主成分として含有する第２エッチング組成物を用いてウエットエッチングし、第１エッチング工程で水晶材料表面に形成される、結晶方位に起因した異方性エッチングによる突起を除去して平滑化するという技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−９３２１３号公報
【特許文献２】特開２００５−６４５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
圧電体として水晶を用いる表面弾性波を利用した圧力センサの高感度化を図るためには、異方性エッチング技術による圧電体自体の薄帯化が望ましく、その製造上の工程においては、エッチングレートが著しく低く、かつ、長時間のエッチング液の組成、温度などに厳密な制御を要し、また煩雑であるため、技術的には可能であるが、量産性に難点がある。
【０００９】
本発明の課題は、圧電体としてバルクの水晶を用いることなく、薄帯化された圧電体あるいは圧電体自体の薄帯化技術を必要とせず、量産性に優れる簡便な製造工程により、圧力センサの高感度化を達成するための、表面弾性波を利用した圧力センサの構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、圧電体上に設けられた表面弾性波を励起するための櫛歯電極と、被膜上に形成されたシリコン膜から成る凸部の上面に圧電膜が形成された膜状構造体と、が気密空間を介して櫛歯電極と圧電膜とが対向するように近接する構造を有し、膜状構造体に加わる外部からの圧力によって圧電膜が櫛歯電極に接することで、表面弾性波の共振周波数が変化し、圧力に対する共振周波数の変化量を検知する機能を具備した圧力センサとする。
【００１１】
膜状構造体の被膜は、シリコン膜のある逆側の面は、外部の自由空間となっており、外部と気密空間との微小な圧力差によってもダイヤフラムとして動作するように極めて薄い構造となっており、外部から正の圧力が加わる場合には、圧電膜の少なくとも一部は、櫛歯電極に接するようにすることで高感度の圧力センサとすることができる。被膜としては、熱酸化シリコン膜等を用いることができ、その厚みは、５μｍ以下程度が好ましく、２μｍ程度であることがさらに好ましい。また、櫛歯電極と圧電膜とは、精密に位置合わせをして対向させることが好ましい。シリコン膜の厚みとしては、５μｍ程度であることが好ましい。
【００１２】
圧電体としては、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム等の圧電結晶を用いることができる。圧電膜としては、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、二酸化シリコン、酸化亜鉛等を適用することができる。
【００１３】
膜状構造体を形成するための基板としては、エッチングによる微小な膜厚の制御等の加工性に優れる基板が好ましく、（１００）面のシリコン基板が使用できる。被膜の膜厚制御性およびシリコン膜の品質の観点から、ＳＯＩ基板（（Ｓｉ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｒａｔｏｒ）基板がさらに好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、表面弾性波を利用した圧力センサにおいて、加工性に優れるシリコン基板を加工して成る膜状構造体の凸部に形成された圧電膜が、外部の圧力による膜状構造体の撓みにより、櫛歯電極に接することで生ずる表面弾性波の共振周波数の変化を利用しており、従来の水晶等の圧電体の薄帯化技術に伴う長時間の厳密で煩雑な製造工程が不要となり、高感度な圧力センサの工業化に有利な効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る圧力センサの断面構造の概念図である。
【図２】本発明に係る圧力センサの評価結果の例である。
【図３】本発明に係る圧力センサの製造工程の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係わる圧力センサの断面構造の概念図である。この圧力センサは、圧電体５上に形成されている表面弾性波を励起するための櫛歯電極６と、絶縁層７上の結晶性シリコン膜から成る凸部２に圧電膜３が形成されている膜状構造体とが気密空間１を介して精密に位置合わせをされてセパレータ４をはさんで対向するように近接して配置される。
【００１８】
この構造は、外部からの圧力による絶縁層７の撓みにより、膜状構造体が可動部いわゆるダイヤフラムとなっており、その膜状構造体の凸部２に形成されている圧電膜３が、近接する圧電体５上の櫛歯電極６に、外部と気密空間との圧力差に応じて、少なくとも一部が接触する機構を有する。
【００１９】
可動部となる膜状構造体は、その形成において、シリコンの結晶異方性を利用する簡便な反応性イオンエッチング等の乾式エッチングあるいは異方性のエッチャントによる湿式エッチングを利用でき、バルクの圧電体結晶に比べると加工性に優れている。したがって、圧力センサの高感度化のために、特許文献１のように圧電体５自体を薄帯化する必要がなくなる。
【００２０】
次に、本発明の表面弾性波を利用する圧力センサの基本動作原理について説明する。外部からの正の圧力が絶縁層７に加わると、絶縁層７に撓みが生じ、膜状構造体の凸部２に形成されている圧電膜３が櫛歯電極６に少なくとも一部は接し、接する前の表面弾性波のモードから圧電体５と圧電膜３の間の界面波のモードに変化する。このモード変化により、表面弾性波の共振周波数も変化する。本発明の圧力センサは、圧力に対するモード変化に伴う共振周波数の変化量を検知するようにしている。共振周波数の変化は、例えば、スペクトラムアナライザや反射損失測定器の機能を用いることにより、検知可能である。
【００２１】
本発明に係わる圧力センサの製造方法について説明する。図３は、本発明の圧力センサの製造工程の例を示す。
【００２２】
まず、可動部となる膜状構造体の製造工程を説明する。製造に用いる基板には、例えば、厚み３５０μｍのＳＯＩ（Ｓｉ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｒａｔｏｒ）基板３１が使用できる（図３（ａ）参照）。絶縁層３５およびその絶縁層３５上の結晶性シリコン層（ＳＯＩ層）４０の厚みは、それぞれ２μｍおよび５μｍ程度である。
【００２３】
また、ＳＯＩ基板３１のシリコンの結晶面は、異方性エッチングの実現を容易にするため（１００）面にすれば良い。次に、スチーム酸素雰囲気（１２５０℃）中でＳＯＩ基板３１の表面に２μｍ厚の熱酸化膜３２を形成する（図３（ｂ）参照）。この熱酸化膜３２は、後述する圧電膜と櫛歯電極の極微小間隙を形成するためのセパレータ３４となる。もちろん、ＳＯＩ基板３１の裏面にも熱酸化膜は形成される。
【００２４】
そして、公知のフォトリソグラフィー技術による熱酸化膜３２の選択的エッチング工程を経て、凸部３３を残存させるようにＳＯＩ層４０の一部を除去し、その後、その凸部３３上の熱酸化膜３２を選択的エッチングにより除去する（図３（ｃ）参照）。
【００２５】
ＳＯＩ層４０の一部を除去する工程では、公知のシリコンの異方性エッチング技術を用いることができる。湿式によるエッチング液としては、例えば、ＫＯＨ、ＥＤＰやＴＭＡＨが利用できる。引続き、熱酸化膜３２がエッチング除去された凸部３３上に約０．４μｍ厚の圧電膜３６を、公知のスパッタリング法や蒸着法により堆積する。圧電膜３６としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、二酸化シリコン、酸化亜鉛等を適用することができる（図３（ｄ）参照）。圧電膜３６には、多結晶構造でも圧電特性を示す上記材料が好ましいが、それに限定されることなく、例えば、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム等の結晶膜であっても良い。
【００２６】
前述と同様の公知のシリコンの異方性エッチング技術により、凸部２の背面側のシリコン基板部３７を絶縁層３５のところまで除去して膜状構造体４２が完成する（図３（ｅ）参照）。この異方性エッチングは、絶縁層３５のエッチング速度は、シリコンのそれに対して非常に遅いので、エッチングの制御は極めて容易である。測定圧に対する機械的耐性を高めたい場合には、この膜状構造体４２の膜厚を厚くするように、エッチング工程を途中で止めて、一部のシリコンを残存させることも可能である。逆に、より高感度を達成したい場合には、絶縁層３５により薄いものを用いれば良い。
【００２７】
次に、表面弾性波を励起するための櫛歯電極を配する圧電体３９の製作工程について説明する。用いる基板には、厚み０．３５ｍｍの３６°Ｙ板ＬｉＴａＯ3単結晶基板が使用できる。
【００２８】
この基板上に７０ｎｍ厚のアルミニウム膜を公知のスパッタリング法により堆積し、フォトリソグラフィ技術により櫛歯電極３８の形状にパターン化する（図３（ｆ）参照）。櫛歯電極のライン幅および電極間幅は、表面弾性波の共振周波数を２．４５ＧＨｚとする場合、約０．４μｍとすれば良い。
【００２９】
最後に、前述の膜状構造体４２と櫛歯電極３８を有する圧電体３９を公知の陽極接合技術により、圧電膜３６と櫛歯電極３８とが、熱酸化膜３２からなるセパレータ３４による微小間隙を介して対向して近接するように、かつ精密に位置合わせを行ってから気密接合し、圧力センサとする（図３（ｇ）参照）。
【００３０】
図２は、本発明による圧力センサの評価結果の例を示す。圧力センサを圧力制御容器内に導入し、異なる圧力環境におけるセンサの反射損失（リターンロス）特性Ｓ11を評価する。例えば、一気圧下における共振周波数は２．４３９７５ＧＨｚであり、３０×１０-5（ｋｇｆ／ｍｍ2）の極微小の正圧力下においては約２５０ｋＨｚの周波数増加が確認される。
【００３１】
本発明の実施の形態では、エッチングの停止が容易に制御できるように、基板にＳＯＩ基板を用いたが、膜状構造体いわゆるダイヤフラムの構造が形成可能であれば、通常のシリコン基板を用いることも可能であるし、その他の安価で容易に入手可能な基板であってももちろん使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、産業、医療分野の高感度な圧力測定、特にタイヤ内の圧力モニタや血圧モニタなどに利用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１    気密空間
２、３３    凸部
３、３６    圧電膜
４、３４    セパレータ
５、３９    圧電体
６、３８    櫛歯電極
７、３５    絶縁層
３１    ＳＯＩ基板
３２    熱酸化膜
３７    凸部の背面側のシリコン基板部          
４０    ＳＯＩ層
４２    膜状構造体
【図１】
2010190782.tif 000003
【図２】
2010190782.tif 000004
【図３】
2010190782.tif 000005